城軌車(chē)輛輔助控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

熊德偉，劉偉偉

（230012 安徽省 合肥市 合肥中車(chē)軌道交通車(chē)輛有限公司）

0 引言

城軌車(chē)輛在設(shè)計(jì)時(shí)，為避免占用客室空間，絕大多數(shù)設(shè)備均布置在底架以下，如牽引、制動(dòng)控制箱、管排、線(xiàn)槽、風(fēng)缸及各類(lèi)閥體等。過(guò)多的裝置導(dǎo)致了底架空間異常擁擠，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)及后期維護(hù)難度較大。

由于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)集成性好、空間利用率高，既節(jié)省車(chē)體底架安裝空間，又減輕了作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，能夠較好地解決這一問(wèn)題，因此逐漸成為當(dāng)前軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。但模塊集成也不宜過(guò)多，否則模塊質(zhì)量過(guò)大，如果不能保證其安裝結(jié)構(gòu)的安全性，設(shè)備就可能會(huì)從車(chē)體脫落，對(duì)行車(chē)安全造成威脅。從近些年的研究文獻(xiàn)資料來(lái)看，對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)性能關(guān)注的學(xué)者很多，但對(duì)集成模塊結(jié)構(gòu)性能的研究卻較少。如文獻(xiàn)[1-3]分析了車(chē)體結(jié)構(gòu)參數(shù)與車(chē)底吊掛設(shè)備對(duì)車(chē)體模態(tài)的影響；文獻(xiàn)[4]依據(jù)EN12663 標(biāo)準(zhǔn)分析了頭車(chē)車(chē)體的疲勞強(qiáng)度；文獻(xiàn)[5]對(duì)中間車(chē)體的剛度及靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[6]對(duì)車(chē)體關(guān)鍵部位應(yīng)力及位移指標(biāo)對(duì)車(chē)頂、上邊梁、側(cè)墻和底板等主要型材結(jié)構(gòu)的厚度變化的靈敏度做了詳細(xì)的論述。整車(chē)研究時(shí)，由于一些原因需把集成的模塊或設(shè)備簡(jiǎn)化處理。如文獻(xiàn)[4-5]將設(shè)備簡(jiǎn)化為集中力，忽視了集成設(shè)備結(jié)構(gòu)一些細(xì)節(jié)；文獻(xiàn)[7]則是對(duì)車(chē)下水箱單獨(dú)進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，但分析僅限于靜強(qiáng)度校核，不能體現(xiàn)列車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程是否產(chǎn)生疲勞；文獻(xiàn)[8]僅對(duì)車(chē)下制動(dòng)系統(tǒng)模塊化組成進(jìn)行了說(shuō)明，未做深入的計(jì)算討論。

因此，本文以某城軌項(xiàng)目列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)輔助控制箱、風(fēng)缸等零部件的集成為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種輔助控制模塊結(jié)構(gòu)，依據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，最后利用Goodman 疲勞曲線(xiàn)圖對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)底架設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 輔助控制模塊結(jié)構(gòu)組成

輔助控制模塊（如圖1 所示）作為整車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)子模塊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集成了總風(fēng)缸、懸掛風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸及輔助控制箱四大部分，其中，輔助控制箱內(nèi)集成有壓力開(kāi)關(guān)、單向閥、截?cái)嗳T(mén)、測(cè)試接口、過(guò)濾器及其它氣路元件和電子元件等，便于列車(chē)的日常維護(hù)和試驗(yàn)。除此之外，其它附屬件如風(fēng)缸排水閥、管路支架、管夾、管接頭等也需要一并安裝在輔助控制模塊內(nèi)。

圖1 輔助控制模塊原理圖Fig.1 Schematic diagram of auxiliary control module

圖1 中：B3——總風(fēng)缸及附件；B4——懸掛風(fēng)缸及附件；B9——制動(dòng)風(fēng)缸及附件；1，2，3，4，5——管路接口；B7——輔助控制箱體；B7.01，04——單向閥；B7.02，05——截?cái)嗳T(mén)；B7.03——過(guò)濾器；B7.06——縮堵；B7.07——雙向脈沖閥；B7.08——梭閥；B7.09，L3——測(cè)試接口；B7.10，L1，L2——壓力開(kāi)關(guān)

2 輔助控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊設(shè)計(jì)需要模塊本身具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可以設(shè)計(jì)成多重模塊結(jié)構(gòu)，在地面預(yù)組裝后整體上車(chē)[8]。為了便于安裝，輔助控制模塊設(shè)計(jì)需考慮輔助控制箱體、風(fēng)缸、排水閥、管接頭與管夾等零部件能夠提前組裝完成，因此設(shè)計(jì)考慮采用不銹鋼整體焊接支架結(jié)構(gòu)。

2.1 坐標(biāo)系設(shè)置及尺寸限制

設(shè)計(jì)坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，以車(chē)輛前進(jìn)方向（縱向）為x 軸正方向，以水平垂直車(chē)身方向（橫向）為y 軸正方向，以豎直向上（垂向）為z 軸正方向。

根據(jù)車(chē)輛底架設(shè)備總體布置要求，模塊整體需安裝在車(chē)體底架的C 型槽上，除去維護(hù)空間，模塊平面總體尺寸不能超過(guò)1 800 mm×1 000 mm，垂向尺寸上方預(yù)留管線(xiàn)空間，下方不允許超過(guò)車(chē)輛限界。

2.2 輔助控制箱與風(fēng)缸選型

輔助控制箱主要用于氣路元器件的防護(hù)，因此箱體必須能夠滿(mǎn)足車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)各種惡劣的環(huán)境條件，采用不低于IP65 防護(hù)等級(jí)的鋁合金結(jié)構(gòu)箱體。

風(fēng)缸主要有碳鋼和鋁合金兩種材質(zhì)，傳統(tǒng)項(xiàng)目上碳鋼風(fēng)缸因成本及工藝優(yōu)勢(shì)應(yīng)用廣泛，但碳鋼風(fēng)缸內(nèi)部表面處理稍有不慎，在含水汽的高壓空氣作用下會(huì)產(chǎn)生腐蝕，且不易被發(fā)現(xiàn)，腐蝕顆粒進(jìn)入管路系統(tǒng)會(huì)對(duì)整車(chē)制動(dòng)造成影響。隨著近年來(lái)鋁合金風(fēng)缸生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟，成本不斷降低，應(yīng)用也越來(lái)越多。又因鋁合金的密度僅為碳鋼的1/3，更能滿(mǎn)足整車(chē)輕量化需求，且鋁制風(fēng)缸內(nèi)部表面產(chǎn)生的氧化膜具有較強(qiáng)的耐蝕性，因此本項(xiàng)目采用鋁合金風(fēng)缸。風(fēng)缸由缸體與端蓋組焊而成，缸體軸線(xiàn)方向焊縫只限一條，內(nèi)部承受工作壓力不少于1 000 kPa，風(fēng)缸生產(chǎn)與驗(yàn)收符合EN286-4 標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命不小于30 年。

2.3 安裝支架設(shè)計(jì)

集成結(jié)構(gòu)中風(fēng)缸的尺寸最大，因此安裝支架設(shè)計(jì)首先要研究風(fēng)缸布置方案，即沿車(chē)體橫向或縱向布置。如果將3 個(gè)風(fēng)缸沿車(chē)體橫向布置，橫向長(zhǎng)度將大于1 000 mm，超出設(shè)備布置限制尺寸，方案不可行；如果將風(fēng)缸沿車(chē)體縱向并排布置，縱向尺寸滿(mǎn)足，但各風(fēng)缸直徑及風(fēng)缸箍帶間隙之和也超出橫向限制尺寸，所以方案仍需進(jìn)一步優(yōu)化。設(shè)計(jì)時(shí)，將風(fēng)缸上下錯(cuò)位，同時(shí)，為保證模塊重心位置盡可能靠近緊固點(diǎn)的幾何中心，將直徑最小、重量最輕的風(fēng)缸位置下移，3 個(gè)風(fēng)缸成“品”字結(jié)構(gòu)沿車(chē)體縱向排布（如圖2）。

圖2 輔助控制模塊模型Fig.2 Auxiliary control module model

輔助控制箱質(zhì)量只有25 kg 左右，且底架縱向允許尺寸（1 800 mm）較充足，因此，將控制箱放在風(fēng)缸出風(fēng)口一側(cè)，以懸掛方式布置，通過(guò)螺栓連接緊固。

列車(chē)運(yùn)行時(shí)設(shè)備將承受各種工況的沖擊振動(dòng)，為提高模塊結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，支架選用不銹鋼（0Cr18Ni9）板折彎件或角鋼組焊而成，上、下零件安裝部分及輔助控制箱懸掛臂縱橫梁板厚均為6 mm，中間垂向連接及加強(qiáng)筋板厚5 mm，設(shè)備與車(chē)體連接吊掛座采用8 mm 厚鋼板拼接而成。整體焊接優(yōu)先選用對(duì)接焊縫，焊接符合EN15085 標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量等級(jí)不低于CP B 級(jí)，檢查等級(jí)不低于CT 2 級(jí)。

用CATIA 軟件建立結(jié)構(gòu)三維模型（見(jiàn)圖2）,4個(gè)定位孔尺寸為780 mm×1 590 mm，模塊總體尺寸912 mm×1 650 mm×680 mm，均滿(mǎn)足尺寸設(shè)計(jì)要求。為了確保支架設(shè)計(jì)的安全性，對(duì)支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3 輔助控制模塊強(qiáng)度分析

3.1 輔助控制模塊載荷

輔助控制模塊支架強(qiáng)度計(jì)算載荷依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663：2010《鐵路應(yīng)用—鐵路車(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求》確定。本項(xiàng)目列車(chē)為固定編組，屬于標(biāo)準(zhǔn)中的P-Ⅱ類(lèi)別[9]，其靜強(qiáng)度載荷工況與疲勞強(qiáng)度載荷工況分別見(jiàn)表1、表2。為了確保計(jì)算結(jié)果更加可靠，Z 軸靜強(qiáng)度載荷常數(shù)c 值取2，重力加速度g 取值為9.81 m/s2。

表1 靜強(qiáng)度載荷工況Tab.1 Static strength load conditions

表2 疲勞強(qiáng)度載荷工況Tab.2 Fatigue strength load conditions

3.2 靜強(qiáng)度分析

3.2.1 有限元模型建立

輔助控制模塊支架是采用不同板厚的不銹鋼板焊接而成，因此可以離散成與鋼板等厚度的殼單元，用HyperMesh 軟件劃分網(wǎng)格，單元類(lèi)型為shell63。為便于計(jì)算，對(duì)輔助控制箱及各風(fēng)缸以質(zhì)量單元代替，質(zhì)量點(diǎn)位于各個(gè)模塊的質(zhì)心，單元類(lèi)型為mass21。在輔助控制模塊與車(chē)體螺栓連接的位置，通過(guò)節(jié)點(diǎn)施加位移約束；質(zhì)量單元分別與各自替代設(shè)備的緊固點(diǎn)通過(guò)梁?jiǎn)卧B接起來(lái)，最終離散模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為68 988，單元總數(shù)為66 740。不銹鋼基本物理參數(shù)：彈性模量為1.83e5MPa，泊松比0.29，密度7.9e3kg/m3，母材屈服應(yīng)力σ0.2=205 MPa，極限應(yīng)力σb=520 MPa，焊縫屈服應(yīng)力為186 MPa，極限應(yīng)力為472 MPa。

3.2.2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS 進(jìn)行計(jì)算，得到模塊各工況的應(yīng)力，如表3 所示。

表3 靜強(qiáng)度各工況應(yīng)力與位置Tab.3 Stress and position of static strength under various working conditions

根據(jù)表3 可以發(fā)現(xiàn)，各工況的最大應(yīng)力均位于焊縫連接處，其中工況7 安裝吊掛座處焊縫應(yīng)力134.576 MPa，為最大值，焊縫屈服應(yīng)力為186 MPa，計(jì)算得出安全系數(shù)為1.38，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.15，因此可以判斷模塊支架的靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.3 疲勞強(qiáng)度分析

疲勞分析的目的是判斷在車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)，模塊支架是否有產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)。關(guān)于疲勞強(qiáng)度校核的方法有很多，本文選用鐵路系統(tǒng)常用的Goodman 疲勞極限線(xiàn)圖作為評(píng)估方法。通過(guò)前面的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，模塊焊縫的位置應(yīng)力偏大，因此，選取安裝吊掛座、懸掛臂與端部橫梁連接、中部橫梁與垂向梁連接3 處焊縫及輔助控制箱安裝、風(fēng)缸安裝2 處緊固點(diǎn)共5 處關(guān)鍵位置對(duì)模塊進(jìn)行考察。

根據(jù)疲勞破壞裂紋方向與最大主應(yīng)力相互垂直的特點(diǎn)，結(jié)合文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[10]，采用ORE法將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化成單向應(yīng)力，計(jì)算平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅值Δσ，根據(jù)材料的Goodman 疲勞極限線(xiàn)圖，判斷其是否超出疲勞許用應(yīng)力。

通過(guò)ANSYS 對(duì)疲勞載荷的8 種工況進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)工況對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，然后編程統(tǒng)計(jì)得到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力與最小應(yīng)力，如表4 所示。

表4 關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力Tab.4 Key point stress

將表4 中的各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅畫(huà)入Goodman 疲勞極限圖。如圖3 所示，曲線(xiàn)a1適用于對(duì)接焊縫區(qū)或低切口效應(yīng)的截面變化區(qū)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)；曲線(xiàn)a2適用于其它類(lèi)型的焊縫區(qū)或高切口效應(yīng)的截面變化區(qū)的測(cè)點(diǎn)；曲線(xiàn)b 適用于位于非焊接材料的無(wú)切口效應(yīng)區(qū)的測(cè)點(diǎn)[11]。

由圖3 可見(jiàn)，模塊支架各工況考察點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅均在材料Goodman 疲勞極限圖相對(duì)應(yīng)的包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)，所以模塊滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖3 Goodman 疲勞極限圖Fig.3 Goodman fatigue limit diagram

4 結(jié)論

（1）在總體尺寸限制的情況下，模塊設(shè)計(jì)將風(fēng)缸沿車(chē)體縱向錯(cuò)位布置；

（2）在靜載荷工況下，輔助控制模塊支架的計(jì)算應(yīng)力均低于材料的許用屈服應(yīng)力，安全系數(shù)均大于1，模塊結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；

（3）通過(guò)Goodman 疲勞極限圖對(duì)模塊疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，各觀(guān)察點(diǎn)均在包絡(luò)線(xiàn)以?xún)?nèi)，模塊結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求；

（4）通過(guò)計(jì)算分析，集成化的輔助控制模塊結(jié)構(gòu)符合EN12633 的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于同類(lèi)型項(xiàng)目或平臺(tái)項(xiàng)目，可以將該模塊直接在系統(tǒng)內(nèi)調(diào)用，節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期起到了積極作用。